知识讲解 热力学定律及能量守恒（基础）

1、物理总复习：热力学定律及能量守恒【考纲要求】1、理解热力学第一定律、第二定律；2、运用能量守恒定律解决问题。【考点梳理】考点一、改变内能的两种方式1、热传递条件：存在温度差，最终结果是使两物体温度一样。方式：热传导、热对流、热辐射。规律：热量从高温物体传向低温物体。和内能变化的关系：系统在单纯的传热过程中，内能的增量等于外界向系统传递 的热量Q，即AU = Q。2、做功做功改变物体内能的过程是将其他形式的能（如机械能）与内能相互转化的过程，做功 使物体内能发生变化时，内能改变了多少用做功的数值来度量。要点诠释（1）要使物体改变同样的内能，通过做功或者热传递都可以实现，若不知道过程， 我们无法分

2、辨出是做功还是热传递实现的这种改变。（2）做功是宏观的机械运动向物体的微观分子热运动的转化。热传递则是通过分子之 间的相互作用，使不同物体间分子热运动变化，是内能的转移。前者能的性质发生了变化， 后者能的性质不变。（3）物体的内能增加与否，不能单纯地只看做功或热传递，两个过程需要全面考虑。 考点二、热力学第一定律1、内容物体内能的增量AU等于外界对物体做的功W和物体吸收的热量Q的总和。2、公式W+Q=AU要点诠释：（1）在应用热力学第一定律时，应特别分清W、Q的正负号，以便准确地判断AU的 正、负。热力学第一定律的符号法则：功W0，表示外界对系统做功；WV0，表示系统对外界做功。热量Q0，表示

3、物体吸热；QV0，表示物体放热。内能AU 0，表示内能增加；AU 0，表示内能减少。（2）容易出错的几种特殊情况若是绝热过程，则Q=0、W= AU，即外界对物体做的功等于物体内能的增加；若过程中不做功，即W=0，则Q= AU，物体吸收的热量等于物体内能的增加；若过程的始末状态物体的内能不变，即AU =0，则W + Q = 0或W = -Q，外界对 物体做的功等于物体放出的热量。考点三、热力学第二定律1、两种表述（1）按热传递的方向性来表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。（2）按机械能与内能转化过程的方向性来表述：不可能从单一热源吸收热量，使之完全 变成功，而不产生其他影响。要点诠释：这

4、里所说“自发地”是指没有任何外界的影响或帮助，电冰箱工作时能将冰箱内（温度较 低）的热量，传给外界空气（温度较高），是因为电冰箱消耗了电能，对制冷系统做了功。上述两种表述是等价的，即一个说法是正确的，另一个说法也必然是正确的；如果一个 说法是错误的，另一个说法必然也是不成立的。2、热力学第二定律的意义提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，是独立于热力学第一定律的一个重要自然规律。3、热力学第二定律的微观解释（1）一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。这是热力学第二定 律的微观意义。（2）从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的 状态向熵大的状态发

5、展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序度更 大的方向发展。4、两类永动机的比较第一类永动机第二类永动机不消耗能量却可以源源不断地对外做功 的机器从单一热源吸热，全部用来对外做功而不引起其他变化的 机器违背能量守恒，不可能实现不违背能量守恒，但违背热力学第二定律，不可能实现考点四、能量守恒定律1、能量守恒定律（1）能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或 者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变，这就是能的转化和守恒 定律。（2）能量的转化和守恒定律是自然界最普遍的规律。（3）永动机是永远造不出来的。2、能源、环境（1）常规能源

6、：人们把煤、石油、天然气叫做常规能源。常规能源有限，常规能源带 来环境问题：温室效应、酸雨、光化学烟雾等。（2）新能源：风能、水流（河流、潮汐）能、太阳能、热核能、氢能源、反物质能等。 风能、水流能、生物质能等是可再生能源，而石油、煤炭、天然气是不可再生能源。要点诠释：对能量守恒定律的理解：1、某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量与增加量相等。2、某个物体能量的减少，一定存在其他物体能量的增加，且减少量和增加量一定相等。3、在利用能量转化与守恒定律解题时，要注意先搞清过程中有几种形式的能在转化或 转移，分析初、末状态确定AE增、AE减各为多少，再由AE增=AE减列式计算。【典型例

7、题】类型一、热力学第一定律例1、（2015重庆）某驾驶员发现中午时车胎内的气压高于清晨时的，且车胎体积增大若这段时间胎内气体质量不变且可视为理想气体，那么外界对胎内气体做功，气体内能减小B.外界对胎内气体做功，气体内能增大C.胎内气体对外界做功，内能减小D.胎内气体对外界做功，内能增大【答案】D【解析】对车胎内的理想气体分析知，体积增大为气体为外做功，内能只有动能，而动 能的标志为温度，故中午温度升高，内能增大，故选D。【考点】本题考查理想气体的性质、功和内能、热力学第一定律。举一反三【变式1】100r的水完全变成100r的水蒸气，则（）水分子的内能增加水的内能增加水所增加的内能小于所吸收的热

8、量水所增加的内能等于所吸收的热量【答案】BC【解析】由于温度不变，水分子的内能不变。体积膨胀，水分子的势能变大，水的内能增加。 体积膨胀时要克服外界大气压力做功，由热力学第一定律可知，水所增加的内能要小于吸收 的热量。【变式2】（2014山东卷）如图所示，内壁光滑、导热良好的气缸中用活塞封闭有一定质量 的理想气体.当环境温度升高时，缸内气体（）内能增加对外做功压强增大分子间的引力和斥力都增大【答案】AB【解析】根据理想气体状态方程，缸内气体压强不变，温度升高，体积增大，对外做功.理 想气体不计分子间的作用力，温度升高，内能增加.选项A、B正确.【变式3】如图所示，厚壁容器的一端通过胶塞插进一只

9、灵敏温度计和一根气针，另一端有 个用卡子卡住的可移动胶塞。用打气筒慢慢向筒内打气，使容器内的压强增加到一定程度， 这时读出温度计示数。打开卡子，胶塞冲出容器后度计A.B.C.D.内能减少内能增加内能减少内能增加温度计示数变大，实验表明气体对外界做功， 温度计示数变大，实验表明外界对气体做功， 温度计示数变小，实验表明气体对外界做功， 温度计示数变小，实验表明外界对气体做功， 【答案】C 【解析】打开卡子，气体冲开胶塞时，气体对胶塞做功，将内能转化为胶塞的机械能；气体 对外做功，内能减小，气体的温度降低。类型二、热力学第二定律例2、关于热力学定律和分子动理论，下列说法正确的是（）一定量气体吸收热

10、量，其内能一定增大不可能使热量由低温物体传递到高温物体若两分子间距离增大，分子势能一定增大若两分子间距离减小，分子间引力和斥力都增大【思路点拨】重温热力学第一定律、第二定律，分子力与分子间距的函数图象和分子势能与 分子间距的函数图象。【答案】D【解析】由热力学第一定律可知，做功和热传递都可以改变物体的内能，一定量的气体吸收 热量如果气体同时对外做功，且做功比吸热多，则气体的内能减少，A项错误；依据外界做 功，可以使热量由低温物体传递到高温物体，B项错误；若两分子间的距离小于平衡时的距 离，分子力是斥力，在增大的过程中分子力先做正功，分子势能先减小，C项错误；若分子 间的距离在减小，分子间的引力

11、和斥力都在增大，只不过斥力增大的快些，D项正确。【总结升华】关键是要准确理解热力学第一定律、热力学第二定律、分子力与分子间距的函 数图象和分子势能与分子间距的函数图象。（两个定律、两个图像）举一反三【高清课堂：热力学定律及能量守恒例2】【变式1】关于热力学定律，下列说法正确的是 （填入正确选项前的字母）。为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传递热量对某物体做功，必定会使该物体的内能增加可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功D .不可能使热量从低温物体传向高温物体功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程【答案】ACE【解析】由热力学第一定律W + Q = AU，知A正确，B错误；由热力学第二定律

12、知，C、D这些过程在借助于外界帮助的情况下是可以实现的，所以C正确、D错误；由自然界中 一切与热现象有关的过程都是不可逆的，所以E正确。【变式2】关于热力学定律，下列说法正确的是（）在一定条件下物体的温度可以降到0 K物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功吸收了热量的物体，其内能一定增加压缩气体总能使气体的温度升高【答案】B【解析】0K是绝对零度是不可能达到的。物体可以从单一热源吸收的热量全部用于做功但 需借助外界的帮助。做功和热传递都能改变内能，压缩气体但如果放出了热量，内能不一定 增加。故答案为B。【高清课堂：热力学定律及能量守恒例5】【变式3】如图为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时，

13、强迫制冷剂在冰箱内外的管 道中不断循环，在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出 热量到箱体外，下列说法正确的是（）热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能电冰箱的工作原理不违反热力学第二定律电冰箱的工作原理违反热力学第一定律【思路点拨】热力学第二定律，“热量不能自发地从低温物体传到高温物体，但是做功是可 以的，就不是自发的了。电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律、第二定律。【答案】BC【解析】根据热力学第二定律，电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是 因为消耗了电能，也就是对外界产生了影响，它

14、的工作原理不违背能量守恒定律，也就是热 力学第一定律，选项B、C正确。【总结升华】关键是准确理解热力学第二定律，“热量不能自发地从低温物体传到高温物体”， 电冰箱制冷是通过消耗电能对制冷系统做功来实现的，并不是“自发的”。“不可能从单一热 源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响”，消耗了电能对制冷系统做了功，对外 界产生了影响。【变式4】如图所示，内壁光滑的气缸水平放置。一定质量的理想气体被密封在气缸内，外 界大气压强为P0。现对气缸缓慢加热，气体吸收热量Q后，体积由V1增大为V2。则在此 过程中，气体分子平均动能（选增“增大”、“不变”或“减小”），气体内能变化了【答案】增大；国=Q

15、-七（匕一匕）【解析】气体吸收热量Q，温度升高，气体分子平均动能增大。气体吸收热量Q为正，对外做功为负，w = -P0（V2匕），根据热力学第一定律，W+Q = ，气体内能变化了 AU = Q P0（匕V1）。类型三、能量守恒定律例3、一辆汽车正在平直的公路上以速度v匀速行驶，此时汽车的功率为P，已知汽车的总 效率为门，所使用的汽油的热值为q （每完全燃烧单位质量的燃料产生的热量叫热值），现 油箱中还有质量为m的汽油。（1）下列关于汽车行驶过程中做功和能量转化情况的说法正确的是（）阻力对汽车做负功，机械能转化为内能汽车行驶时因能量损失故总能量不守恒牵引力对汽车做功，使汽车动能增加合外力对汽车的

16、功等于汽油燃烧放出的能量（2）汽车还能行驶多远？（设汽车的质量为M）【思路点拨】尽管汽车能量损失，但总能量是守恒的。运动分析：匀速行驶，汽油用完后汽 车做匀减速运动，所求距离为两段之和。mqv Mv3【答案】（1）A （2）x = + -【解析】（1）选A。阻力对汽车做功的过程就是机械能转化为内能的过程，尽管汽车能量 损失，但总能量是守恒的。汽车做匀速运动，动能不变，合力为零，合力做功为零。（2）先求出剩余汽油燃烧放出的能量，再求出汽车匀速运动的时间，便可求还能匀速行驶 的距离，再由动能定理求出减速的距离。汽油燃烧放出的能量E = qm汽车匀速行驶x，需要的能量E = Pt=PX而E=n E1

17、v设汽油用完后汽车做匀减速运动的距离为X2，则由动能定理知-fx2 = -2Mv2又P = Fv=fv汽车行驶的距离x =X+X2 mqnv Mv3以上各式联立得x =+-。【总结升华】汽车还能行驶的距离应包括汽油用完后减速运动的距离，很多同学漏掉这一段，而只求出匀速行驶距离X。1举一反三【变式1】取一个横截面积是3X10-2m2的不高的圆筒，筒内装水0.6kg，用来测量射到地面的太阳能，某天中午在太阳光照射2min后，水的温度升高了 1C。水的比热容为4.2X103J/ （kg- C）。（1）计算在阳光直射下，地球表面每平方米每秒钟获得的能量。（2）已知射到大气顶层的太阳能只有43%到达地球

18、表面，另外57%被大气吸收和反射而未到达地球表面，太阳表面到地球表面的距离为r=L5x10iim，试估算出太阳辐射的功率。（此问结果保留二位有效数字）【答案】（1） Q = 2.52x 103J （2） P = 4.5x1026W【解析】（1）水吸热 Q = cmNt = 4.2x 103 x 0.6x 1J = 2.52 x 103 J地面每平方米每秒钟获得的能量St2.52 x1033 x 10-2 x 2 x 60J / (m2 - s) = 700J / (m2 - s)(2)每平方米每秒钟，在大气顶层得到的太阳能为E =- = 1.6x103/(m2 -s) 0 43%太阳辐射功率P = E0 4兀 r2 = 1.6x 106 x 4x 3.14 x (1.5x 10ii)2W = 4.5 x1026W。【变式2】为研究影响家用保温瓶保温效果的因素，某同学在保温瓶中灌入热水，现测量初 始水温，经过一段时间后再测量末态水温。改变实验条件，先后共做了5次实验，实验数据 记录如下表：序号瓶内水量（mL）初始水温（0C）时间（h）末态水温（0C）110009147821000988743150091480415009810755200091